李忠海 呂德成

全球每年因外傷性脊髓損傷 ( spinal cord injury，SCI ) 而喪失肢體感覺、運動功能的病例數(shù)高達 60 多萬，已呈現(xiàn)高發(fā)生率、高致殘率、高耗費和低齡化的“三高一低”的局面，SCI 后的神經修復已成為醫(yī)學界迫切需要解決的重大挑戰(zhàn)和臨床難題。我國現(xiàn)有創(chuàng)傷性 SCI 患者超過 200 萬，并且每年新增 10～14 萬人，給家庭和社會帶來了巨大的負擔。近年來，挽救受損神經元，促進受損神經元軸突的再生，再生軸突與靶組織形成正確的突觸聯(lián)系，以及脊髓神經功能的恢復等研究領域已經取得了重要的進展，這方面的基礎研究令人鼓舞，我國在 SCI 領域也取得了一定的進步，尤其是跨界學科的發(fā)展，給 SCI 的綜合治療提供了新的思路[1-3]。如何立足于實驗室成果，將其更好地運用于臨床，最終使患者受益，仍是廣大學者面臨的巨大挑戰(zhàn)[4]。因此，進一步重視 SCI 的基礎與臨床研究具有必要性、迫切性和戰(zhàn)略性。

一、SCI 后微環(huán)境的修復與構建

SCI 后經歷原發(fā)性和繼發(fā)性損傷的序貫過程，造成不同程度的神經元和膠質細胞壞死、凋亡以及軸突斷裂和脫髓鞘。原發(fā)性損傷是物理打擊直接造成的，隨后出現(xiàn)細胞膜裂解、血管損傷、出血、局部缺血以及栓塞，是源于神經纖維、神經元、神經膠質細胞膜以及血管的機械性破壞，造成以損傷中心區(qū)域出血性壞死為特征的損害，并可擴大為繼發(fā)性損傷。繼發(fā)性損傷是序貫性生物瀑布激活所導致的凋亡以及興奮性氨基酸毒性的損傷所致，損傷后一些從血管中溢出的血液成分，會在隨后的幾天中成為巨噬細胞活動等免疫反應的基礎，引發(fā)瀑布式級聯(lián)反應：包括水腫、炎癥反應、局部缺血、谷氨酸受體過度激活所致的興奮性氨基酸中毒、脂質過氧化作用、鈣離子超載、細胞因子及凋亡、自由基損傷與脂質過氧化反應、一氧化氮 / 一氧化氮合酶 ( NO / NOS ) 神經毒性作用等。脊髓的繼發(fā)性損傷是導致感覺和運動功能喪失的主要原因，由于神經元相對脆弱，其對微環(huán)境中因素的變化較為敏感，因此在研究中應當重視這些因素所帶來的影響，通過外源性輔助性細胞或細胞因子、相應藥物或其它方式調整和修復神經元生存微環(huán)境，使之有利于脊髓修復，這是SCI 治療的重要手段之一。

中樞神經細胞再生受到內因和外因的影響。內因是指通過使用神經營養(yǎng)素 ( neurotrophins，NT ) 家族和神經營養(yǎng)因子 [ 以膠質細胞源性神經營養(yǎng)因子 ( glial cell derived neurotrophic factor，GDNF ) 為代表 ] 保護神經細胞和加強其再生能力。外因是指改善細胞外部條件，例如從對抗髓內抑制性蛋白等方面來開展。使用外源性輔助性細胞 [ 例如中樞神經系統(tǒng) ( central nervous system，CNS ) 的嗅鞘細胞 ( olfactory ensheathing cells，OECs ) 和外周神經系統(tǒng)的雪旺細胞 ] 促進髓鞘再生以及使用外源性神經生長因子 ( 例如 Trk 家族激動劑類 ) 促進神經再生是微環(huán)境修復的兩個重要方向。馮世慶等[5]使用基因工程手段將二者結合在一起，證明高表達腦源性神經營養(yǎng)因子 ( brain derived neurotrophic factor，BDNF ) 或神經生長因子 ( neuron growth factor，NGF )的雪旺細胞促神經再生功能作用比普通雪旺細胞更為明顯。這些經過體外修飾的雪旺細胞移植入脊髓后不僅能填充損傷空洞、促進神經再生和軸突再髓鞘化，而且能減少膠質傷疤形成，降低神經再生障礙發(fā)生率。何成等[6]研究指出 OECs 的遷徙能力與其促進神經軸突再生能力有關，其中腫瘤壞死因子 α ( tumor necrosis factor α，TNFα ) 和 GDNF 均能促進 OECs 向損傷區(qū)域遷徙，而抑制分子受體 ( Nogo-66 receptor，NgR ) 則抑制其遷徙，提示 OECs 促進神經軸突再生的能力還能進一步挖掘。游思維等[7]指出 OECs 與雪旺細胞相比，能與星形膠質細胞有更好的整合，通過減輕炎癥反應和組織破壞，OECs 在抑制膠質瘢痕形成上具有更加獨到的作用。

在 SCI 的發(fā)生發(fā)展中，多因素炎癥反應過程是導致繼發(fā)性損傷的重要因素，其病理性炎癥環(huán)境涉及多種復雜調節(jié)機制。SCI 后炎癥反應具有兩面性，既是機體對損傷因素的積極應答，也是造成脊髓繼發(fā)性病理損傷的關鍵因素。SCI 后炎癥反應主要由 CNS 活化的膠質細胞和外周來源的免疫細胞等分泌細胞因子、趨化因子、活性氧和第二信使調節(jié)，是免疫、生化、病理生理過程共同作用的結果，嚴重程度取決于原發(fā)性損傷的機制及繼發(fā)性損傷的病理過程[8-10]。炎癥反應的急性期以中性粒細胞和單核細胞入侵脊髓受損區(qū)域為特征，慢性期以淋巴細胞介導為主。膠質細胞對 SCI 反應迅速，在數(shù)小時內即可上調炎性因子表達，因此可以將SCI 后炎癥病理過程作為干預靶點，這為 SCI 的治療提供了新的方向。

水腫是脊髓繼發(fā)性損傷的重要病理過程，受損神經元內部離子通道的開放和膠質細胞外源性水通道蛋白的釋放都參與組織水腫過程。離子通道蛋白 1 ( Na-K-Cl cotransporter 1，NKCC1 ) 被認為是神經元細胞水腫的關鍵影響因子，而水通道蛋白家族 ( aquaporins，AQPs ) 是近年來發(fā)現(xiàn)的調控水分子平衡的重要信號蛋白。研究發(fā)現(xiàn) NKCC1 在 CNS 神經元和膠質細胞中都存在廣泛表達，在中樞神經損傷后組織內 NKCC1 表達量增高，而使用布美他尼抑制 NKCC1 后，p-Erk 水平降低，能夠減輕神經元凋亡[11]。

亞低溫治療能夠通過降低氧耗量、改善腦血流、減輕腦水腫等途徑改善受損組織微環(huán)境，具有獨特的神經保護作用。然而在亞低溫環(huán)境中，普通干細胞的活性很低，難以充分發(fā)揮保護作用。張賽等[12]通過將溫度敏感型猿猴病毒抗原引進導入至臍帶間充質干細胞 ( mesenchymal stem cells，MSCs ) 中，建立了溫敏臍帶MSCs，實現(xiàn)了亞低溫概念與溫敏干細胞治療相結合，其優(yōu)點是將溫敏干細胞最大增殖活性的溫度與亞低溫治療的最適溫度相契合，為損傷急性期移植提供可行性，及時挽救變性的神經細胞。

酸中毒在 SCI 過程中比較常見，但是其具體機制仍不得而知。馮華等[13]認為脊髓神經元上酸敏感性離子通道 1a ( acid-sensing ionic channels 1a，ASIC1a ) 在繼發(fā)損傷中具有重要的作用。在脊髓繼發(fā)性損傷中，ASIC1a 及其引起的鈣內流都顯著增高，提示酸中毒有可能是引起神經元鈣超載損傷的重要原因之一。

二、SCI 后軸突再生與神經環(huán)路的重建

神經再生及神經環(huán)路的重建是 SCI 治療最終要實現(xiàn)的目標，也是最重要的科學問題。目前研究認為，單純依靠內源性神經再生不能夠滿足恢復受損神經環(huán)路的要求，而外源性的細胞替代、組織功能橋接和小分子化合物的使用能夠更大程度地實現(xiàn)這一目標。

干細胞治療在重新構筑損傷脊髓和促進功能恢復方面已經展現(xiàn)出了巨大的潛力，然而其在臨床應用中仍存在著許多問題[14-16]。胚胎干細胞 ( embryonic stem cells，ESCs ) 因為來源的倫理問題及移植后的致瘤性問題等限制了其臨床應用；誘導性多潛能干細胞 ( induced pluripotent stem cells，iPSCs ) 來源于自體細胞的重編程，雖然沒有倫理問題，但因外源性基因導入，其臨床應用也存在著有效性和安全性的問題；MSCs 沒有倫理爭議且來源廣泛，在抑制炎性細胞活化、重構局部血供系統(tǒng)以及分泌促神經再生因子方面有獨特的優(yōu)勢，但由于其分化潛能弱于其分泌潛能，在治療細胞缺失嚴重的慢性 SCI 中不是最佳備選細胞；不同來源的MSCs 其生物學特性不盡相同，對于晚期 SCI 的治療應用 MSCs 不是理想選擇。

生物材料、種子細胞和信號分子是構建具有促進體內組織再生功能組織材料的三要素。在使用組織功能技術進行 SCI 治療的過程中，應該選擇適合損傷修復的不同理化屬性及不同結構形態(tài)的支架材料，并對支架材料進行三維結構及生物相容性改造，創(chuàng)造更適合種子細胞生存和神經環(huán)路重建的微環(huán)境[17-19]。我國科學家在生物支架材料結合再生因子構建 SCI 微環(huán)境研究中也取得長足進展，比如利用殼聚糖支架搭載 NT3 的復合生物材料促進成年內源性神經發(fā)生修復 SCI，避免了倫理糾紛、免疫排斥反應及腫瘤發(fā)生的風險，同時借助轉錄本分析揭示了 SCI 修復的分子機理，即 NT3-殼聚糖支架在激活成年內源性神經發(fā)生的同時，促進了血管的生成并抑制了炎癥細胞的浸潤[20]。2013 年，諾貝爾獎獲得者美國斯坦福大學教授 Südhof Thomas C 專門撰文對此項研究成果評述。我國學者還研制出能與膠原材料特異結合的神經再生因子，通過與膠原支架材料特異結合，構建了特異結合再生因子的智能生物材料，如 CBD-BDNF、CBD-NT3、CBD-NGF、CBD-bFGF、CBD-VEGF，解決了再生因子空間定位和濃度維持的技術難題，通過大鼠 SCI 模型證實，該生物材料能夠減少損傷面積擴散，引導神經纖維有序再生，促進神經再生及神經功能恢復，并在隨后的比格犬大段缺損全橫斷 SCI 修復實驗中證明其具有相同的效果，并首次實現(xiàn)全橫斷 SCI 犬的站立和行走[21]。

三、SCI 再生修復的臨床轉化研究

SCI 屬于尚未解決的重大醫(yī)學難題。只有按照國際標準實施臨床試驗研究，研究成果才能夠得到國際同行認可。我國科學家在 SCI 臨床試驗研究方面做了大量的嘗試。查詢 Clinical trial 網站，目前開展的 SCI 臨床研究中干細胞結合生物支架材料臨床研究均為中國注冊，表明我國相關臨床研究已走在世界前列。2016 年，《Cell Transplantation》發(fā)表了慢性完全性 SCI 的國內臨床 I / II 試驗結果，表明臍帶血單核細胞移植輔助髓內減壓和支持行走訓練 65% 的患者表現(xiàn)出不同程度的功能恢復，但是單純細胞移植患者雖然在影像學方面出現(xiàn)了脊髓內部纖維可塑性變化，但是功能恢復不明顯[22]?？傮w來說，我國學者已鑒定出 SCI 微環(huán)境中抑制神經軸突生長和神經干細胞分化的關鍵分子，為解釋脊髓神經再生困難的原因提供了依據(jù)；通過支架材料、再生因子與干細胞結合構建 SCI 再生微環(huán)境，促進神經干細胞向神經元分化，重建脊髓受損的神經網絡，實現(xiàn)部分 SCI 功能修復；提出并初步證實了內源性神經干細胞分化為神經元和組織工程神經元網絡 ( 或類脊髓組織 )形成神經元中繼器是完全性 SCI 功能恢復的主要機制；開展了生物材料結合干細胞治療 SCI 的臨床研究，我國多策略修復 SCI 的臨床研究已走在世界前列，為后續(xù)研究奠定了基礎。

總結已有的臨床研究結果，多數(shù)學者認為由于 SCI 后復雜的微環(huán)境，單一的治療方法效果非常有限，多種策略聯(lián)合應用 ( 生物材料、再生因子、干細胞 ) 被認為是促進神經功能恢復的一種有效策略[23-25]。但在 SCI臨床研究中尚面臨一些需要解決的問題，比如：由于脊髓休克的存在，目前常用的 ASIA 分級并不完全適合急性 SCI 嚴重程度的判定，如何判定患者為完全性損傷？陳舊性 SCI 患者損傷區(qū)的瘢痕可抑制神經再生，在手術中如何區(qū)分陳舊性 SCI 的瘢痕組織與未受損傷的脊髓組織，以便清理瘢痕？如何防止 SCI 后外周神經和肌肉失用性萎縮等問題亟待解決。

SCI 再生修復一直是困擾醫(yī)學界的世界性難題，是影響國家經濟社會發(fā)展的重大科學問題。神經損傷修復是一個極其復雜的生物學過程，神經組織又涵蓋大量不同類型的細胞，加之損傷后有淋巴系統(tǒng)的侵入以及各類內源干細胞的活化，進一步增加了細胞群體內的異質性。目前，我國學者在該領域已取得很大的進步，但在取得成績的同時，我們還存在很大的不足，這也給致力于 SCI 領域研究的同道提出了更高的要求和期盼。目前，隨著醫(yī)學技術的發(fā)展，多個具有潛力的治療方向已經出現(xiàn)，相信在未來隨著相關研究的深入，會有更多成果運用于臨床，為 SCI 患者帶來福音。